Chapitre 3 : Elaboration et caractérisation des
couches de TiO2
Par comparaison avec les fichiers de références
du PDF de l'ICSD, on a identifié les phases correspondantes aux raies
obtenues sur les spectres. Les intensités et
les angles de Bragg correspondants aux spectres de diffraction des rayons X
expérimentaux des couches de TiO2/Si, pour différentes
températures de substrat, synthétisées au laboratoire sont
regroupés dans le tableau 3.3.
Tab. 3. 3 Identification des raies des spectres RX des
couches de TiO2/Si
|
20 (°) 20 (°) I/Imax(%) Forme
N° pic théorique Matériau Phase
cristalline Hkl
expérimental théorique
|
20.26 20.526 1.3 SiO2 Coesite Monoclinique
Anatase
100
25.686
25.69
Tétragonal
TiO2
27.29 27.492 100 TiO2 Rutile Tétragonal
-
Si
100
28.443
28.42
Cubique
33.01 33.178 100 Si
40.82
Rutile
17.1
41.322
TiO2
- Tétragonal
Tétragonal
46.539 46.303 1.4 TiO2 Brookite Tétragonal
48.01
Anatase
21.4
48.791
TiO2
Tétragonal
55.87 55.944 13.2 TiO2 Anatase Tétragonal
1
3
4
5
6
7
8
9
10
100
101
110
111
201
111
411
200
105
Lorsque la température de substrat augmente (<300
°C), on retrouve le même pic dominant de silicium Si (111) de
structure cubique qui diminue progressivement avec la température
jusqu'à se transformer en Si (201) de structure tétragonale (pour
Ts=300°C) identique à celle du TiO2 avec toujours la dominance de
la phase de Silicium.
L'analyse des spectres des différentes couches montre
que la phase anatase de TiO2 est dominante pour les faibles températures
de substrat (<300°C) et que l'orientation est
préférentielle suivant le plan A(101) le plus stable [47].
De plus, on constate que l'intensité du pic principal
A(101) diminue légèrement en fonction de la température du
substrat (pour T = 200°C) puis s'annule brusquement pour les couches
déposées à 300°C.
ENIT 2009 52
ENIT 2009 53
Chapitre 3 : Elaboration et caractérisation des
couches de TiO2
On remarque aussi la présence d'une phase secondaire
rutile R(110), plus stable que l'anatase, qui apparait dès la
température 100°C. L'intensité de ce pic secondaire augmente
avec la température de croissance indiquant une amélioration de
la cristallinité des couches.
A 300°C, on remarque l'apparition de phase secondaire de
rutile associée au plan réticulaire (111), de brookite B(411) et
d'anatase associées aux plans réticulaires (105) et (200). A
cette température, les couches sont cristallisées, mais ne
possèdent pas d'orientation préférentielle. Nous
remarquons ici que le fait de chauffer les substrats à
température supérieure à 200 °C entraîne une
désorientation des couches qui ne présentent plus l'orientation
préférentielle A(101). Cela est en accord avec la
littérature [110].
Notons aussi que la phase secondaire du SiO2 associée
au plan réticulaire (021) n'existe qu'à basse
température.
La taille des grains a été calculée
à partir de la loi de Debye et Scherrer (4) applicable seulement dans le
cas de phase unique ou dominante. La phase anatase A(101) dans notre cas est la
phase dominante pour les températures : ambiante, 100 et 200 °C.
Les valeurs sont regroupées dans le tableau suivant.
Tab. 3. 4 Taille des grains des couches de
TiO2/Si
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Température du substrat (Ts en
°C)
|
TAmb
|
100
|
200
|
|
Taille des grains (nm)
|
16
|
15.5
|
14.9
|
La taille des grains d'anatase A(101) est de l'ordre de 15 nm.
Ces valeurs sont légèrement plus grandes que celles obtenues pour
les couches élaborées sur des substrats de verre vu que la maille
élémentaire de la phase anatase (a = b = 3,782
Å, c = 9,502 Å [22]) est plus grande que celle de la phase
rutile (a = b = 4,587 Å, c = 2,954 Å
[22]).
De plus, le rutile est la forme la plus dense du TiO2 (de
densité 4,20 à 5,60 gcm-3 par rapport à
l'anatase de 3,82 à 3,97) ce qui donne des grains plus denses, et par
suite plus petits et compacte, de rutile que ceux de l'anatase.
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